邊坡穩(wěn)定性分析與加固綜述

摘 要：邊坡穩(wěn)定分析一直是巖土工程中的重要研究內(nèi)容，邊坡按組成物質(zhì)可分為土質(zhì)邊坡和巖質(zhì)邊坡。其物質(zhì)構(gòu)成并無本質(zhì)的差別，但其在結(jié)構(gòu)上完全不同。兩種邊坡穩(wěn)定性分析為邊坡預(yù)測預(yù)報及整治提供依據(jù)，邊坡加固為邊坡穩(wěn)定提供了保障。目前，邊坡穩(wěn)定性分析采用的主要方法有定量分析方法、定量分析方法。而在加固過程中主要針對巖體邊坡的破壞形式及影響因素這兩個方面來進(jìn)行。本文就是針對邊坡的穩(wěn)定性分析和加固方法，以及破壞形式及影響因素等問題進(jìn)行地綜述。

關(guān)鍵詞：巖質(zhì)邊坡；穩(wěn)定分析；土質(zhì)邊坡；邊坡加固；定性分析方法；定量分析方法；

邊坡的穩(wěn)定分析是巖土工程中重要的研究內(nèi)容之一。在我國，隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，特別是西部大開發(fā)政策的實施，水利工程、鐵路、公路及城市等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方興未艾，在這些工程中出現(xiàn)了許多邊坡工程，如三峽高邊坡等。由于實際巖體中含有大量不同構(gòu)造、產(chǎn)狀和特性等不連續(xù)結(jié)構(gòu)面(比如層面、節(jié)理、裂隙、軟弱夾層、巖脈和斷層破碎帶等) ，給邊坡的穩(wěn)定分析帶來了巨大的困難。為了對邊坡進(jìn)行準(zhǔn)確的穩(wěn)定性分析，從而采取適當(dāng)?shù)拈_挖和支護(hù)措施，國內(nèi)外學(xué)者和工程人員提出了許多理論和方法，大大促進(jìn)了邊坡穩(wěn)定性分析方法和加固方法的發(fā)展。

1 邊坡的破壞形式及影響因素

1.1 邊坡的破壞形式

邊坡的變形破壞類型有多種， 按其變形規(guī)模和范圍分為坡體變形、邊坡變形和坡面變形。

坡體變形:邊坡所在山體或斜坡體工程地質(zhì)條件較差，有不良坡體或巖體結(jié)構(gòu)，有貫通且延伸度長的傾向臨空的不利結(jié)構(gòu)面或軟弱夾層，地下水發(fā)育，影響范圍深。邊坡高度較高時，會產(chǎn)生規(guī)模較大的滑坡、崩塌、錯落和坍塌等坡體整體失穩(wěn)變形，其范圍常超出邊坡范圍。

邊坡變形:在邊坡范圍內(nèi)工程地質(zhì)條件較差或含水量高，或有傾向臨空的不利結(jié)構(gòu)面，變形破壞可以是一級或數(shù)級邊坡的變形，但破壞深度一般≤6～7 m ，在邊坡范圍內(nèi)發(fā)生如坍塌、淺層滑坡、局部楔形體滑動等。

坡面變形:坡體邊坡自身是穩(wěn)定的，但坡面在外界因素作用下，因剝蝕、風(fēng)化、沖刷等產(chǎn)生坡面變形，如碎落、剝落、落石、溜坍、沖溝等。

1.2 影響邊坡穩(wěn)定的因素

地層巖性:地層巖性及其組合是構(gòu)成高邊坡的物質(zhì)基礎(chǔ)，巖性決定巖石的強度，抗風(fēng)化能力，巖體結(jié)構(gòu)及所能保持的邊坡高度。巖石軟弱，風(fēng)化深度大，構(gòu)造破碎嚴(yán)重，當(dāng)切坡高度、陡度達(dá)到一定值時會發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。

地質(zhì)構(gòu)造:地質(zhì)構(gòu)造決定巖層的產(chǎn)狀，節(jié)理裂隙的性質(zhì)及發(fā)育程度，斷層破碎帶的性質(zhì)等，受構(gòu)造的影響，如高邊坡體上節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，將嚴(yán)重影響高邊坡的穩(wěn)定性。

地形地貌:地形地貌也是產(chǎn)生滑坡的重要條件。不利形態(tài)和規(guī)模的邊坡往往在坡頂產(chǎn)生張應(yīng)力，并引起坡頂出現(xiàn)張裂縫;在坡腳產(chǎn)生強烈的剪應(yīng)力，出現(xiàn)剪切破壞帶，這些作用極大地降低邊坡的穩(wěn)定性。

水文地質(zhì)條件:水是造成邊坡失穩(wěn)的重要因素，地下水軟化巖(土) 體，降低其強度，增大容重而增大了下滑力，產(chǎn)生靜、動水壓力，產(chǎn)生邊坡的失穩(wěn)。坡體內(nèi)具豐富的地下水，巖性軟弱，往往導(dǎo)致大規(guī)模變形，如坡體滑坡、邊坡滑坡的產(chǎn)生。是否具地下水及地下水發(fā)育程度是評價邊坡穩(wěn)定的重要因素。

地震:地震作用導(dǎo)致邊坡穩(wěn)定性降低主要是由于地震作用產(chǎn)生水平地震附加力，當(dāng)水平地震附加力的作用方向不利時，邊坡的下滑力增大，滑動面的抗滑力減小。另外，在地震作用下，巖土中的孔隙水壓力增加和巖土體強度降低，也對斜坡的穩(wěn)定不利。

降雨:大氣降水是滑坡致災(zāi)的最主要外因。降水對滑坡的作用是一個動態(tài)過程，大氣降水注入滑體，增加巖土的含水量、增加巖土體容重、軟化巖體、降低巖體的抗剪強度。降雨滲入到風(fēng)化巖土體之下的基巖面或斷水層面變成潤滑劑，降低了接觸面的抗滑穩(wěn)定性。

人為因素: 邊坡的不合理設(shè)計、爆破、開挖或加載，大量生產(chǎn)生活用水的滲入等都能造成邊坡變形破壞，甚至整體失穩(wěn)。

2 邊坡穩(wěn)定性分析的方法

邊坡穩(wěn)定性分析方法很多，大致可以分為兩大類:定性分析方法和定量分析方法，其中定量分析方法又分為確定性分析方法和不確定性分析方法。

2.1 定性分析方法

定性分析方法主要是通過工程地質(zhì)勘察，對影響邊坡穩(wěn)定性的主要因素、可能的變形破壞方式及失穩(wěn)的力學(xué)機制等的分析，對已變形地質(zhì)體的成因及其演化史進(jìn)行分析，從而給出被評價邊坡一個穩(wěn)定性狀況及其可能發(fā)展趨勢的定性的說明和解釋。

定性分析方法主要包括:自然(成因) 歷史分析法、圖解法、邊坡穩(wěn)定性分析數(shù)據(jù)庫和專家系統(tǒng)等。自然(成因) 歷史分析法主要用于天然斜坡的穩(wěn)定性評價。圖解法可以分為諾模圖法和投影圖法。諾模圖法主要用于土質(zhì)或全強風(fēng)化的具弧形破壞面的邊坡穩(wěn)定性分析。投影圖法就是用赤平極射投影的原理來評價邊坡的穩(wěn)定性，并為力學(xué)計算提供信息，主要用于巖質(zhì)邊坡巖體的穩(wěn)定性分析。

2.2 定量分析方法

定量分析方法分為確定性分析方法和不確定性分析方法，其中確定性分析方法主要包括極限平衡分析法和數(shù)值分析方法;不確定性分析方法主要包括灰色系統(tǒng)評價法、可靠度分析方法、模糊綜合評價法等。

2.2.1 確定性分析方法

極限平衡分析法。極限平衡理論的主要思想是將有滑動趨勢范圍內(nèi)的邊坡巖體按某種規(guī)則劃分為一個個小塊體，通過塊體的平衡條件建立整個邊坡平衡方程來分析邊坡的穩(wěn)定性。極限平衡分析方法很多，主要包括: Fellenius 法、Bishop 法、J anbu 法、Morgenstern——Price 法、Spen2cer 法、滑楔法、不平衡推力法、Sarma 法等。由于極限平衡法具有模型簡單、計算公式簡捷、可以解決各種復(fù)雜剖面形狀、能考慮各種加載形式的優(yōu)點，因此得到廣泛的應(yīng)用。

數(shù)值分析方法。隨著計算機硬件技術(shù)的發(fā)展，很多數(shù)值分析方法開始應(yīng)用于邊坡穩(wěn)定分析，主要有:有限元法、有限元強度折減法、DDA 法、FLAC 法、流形元法、邊界元法、離散元法、界面應(yīng)力元法等。

有限元法是一種十分成熟的數(shù)值方法。它的優(yōu)點是部分地考慮了邊坡巖體的非均質(zhì)和不連續(xù)性，可以給出巖體的應(yīng)力、應(yīng)變大小與分布，避免了極限平衡分析法中將滑體視為剛體而過于簡化的缺點，能使我們近似地從應(yīng)力應(yīng)變?nèi)シ治鲞吰碌淖冃纹茐臋C制，分析最先、最容易發(fā)生屈服破壞的部位和需要首先進(jìn)行加固的部位等。

強度折減法的要點是利用公式 和 調(diào)整坡體的強度指標(biāo) ，然后通過不斷地增加折減系數(shù) ，直至其達(dá)到臨界破壞，此時得到的折減系數(shù)即為穩(wěn)定安全系數(shù) 。有限元強度折減法除了具有有限元的一切優(yōu)點外，求解安全系數(shù)時，不需要假定滑裂面的形狀和位置，而是由程序自動求出滑裂面;能夠考慮開挖過程對邊坡穩(wěn)定性的影響;能夠模擬坡體和支護(hù)的共同作用。

DDA 法假定巖體由許多節(jié)理裂隙切割形成的各種形狀的塊體組成的不連續(xù)系統(tǒng)，該不連續(xù)系統(tǒng)的平衡方程是按照最小勢能原理，對勢能泛函取最小值得到的，因此其理論體系是嚴(yán)格的。特別適用于對塊狀巖體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定狀態(tài)和變形破壞模式的定性評估。

2.2.2 不確定性分析法

灰色系統(tǒng)評價法?；疑到y(tǒng)評價法把系統(tǒng)中的一切信息量看作灰色量，采用特有的方法建立描述灰色量的數(shù)學(xué)模型。利用灰色關(guān)聯(lián)度分析原理，確定邊坡穩(wěn)定性各影響因素的影響程度，進(jìn)而利用多因素疊加分析評估邊坡的穩(wěn)定性。

可靠度分析方法。邊坡工程可靠度分析是把邊坡巖體性質(zhì)，荷載，地下水，破壞模式，計算模型等作為不確定量，借鑒結(jié)構(gòu)工程可靠性理論方法，結(jié)合邊坡工程的具體情況，用可靠指標(biāo)或破壞概率來評價邊坡安全度。

模糊綜合評價法。模糊綜合評價是應(yīng)用模糊變換原理和最大隸屬度原則，綜合考慮被評事物或其屬性的相關(guān)因素，進(jìn)而進(jìn)行等級或類別評價。其優(yōu)點是能得到邊坡穩(wěn)定性等級分類指標(biāo)，據(jù)此判斷出邊坡的穩(wěn)定性情況;缺點是在實際操作過程中，評判中權(quán)數(shù)的分配帶有一定的經(jīng)驗性和主觀性，并且并沒有考慮到各個影響要素。

2.3 邊坡穩(wěn)定性分析方法的發(fā)展趨勢

邊坡穩(wěn)定性分析還遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有走到完全定量這一步，它只能算是一種半定量的分析方法。

隨著數(shù)值分析方法的不斷發(fā)展，不同數(shù)值方法的相互耦合，如有限元、邊界元、離散元與塊體元等的相互耦合，數(shù)值解和解析解的結(jié)合，這些方法的耦合能充分發(fā)揮各自的優(yōu)點，解決更復(fù)雜的邊坡工程問題。

邊坡(滑坡) 系統(tǒng)是一個開放的系統(tǒng)，它不斷與周圍環(huán)境進(jìn)行著物質(zhì)和能量的交換。邊坡系統(tǒng)的失穩(wěn)是一個不可逆的熱力學(xué)過程，這種過程可以用熵來度量?；率Х€(wěn)前，其總熵不變，一旦總熵發(fā)生變化，勢能和應(yīng)力分布隨之發(fā)生變化，當(dāng)兩者出現(xiàn)差異時，滑坡就失穩(wěn)而產(chǎn)生滑動。因此，從熱力學(xué)角度研究邊坡系統(tǒng)失穩(wěn)應(yīng)具有十分重要意義。

能量方法在邊坡穩(wěn)定分析中的應(yīng)用。干擾能量法嚴(yán)格遵守計算力學(xué)基本原理，從能量角度出發(fā)給出系統(tǒng)或局部的穩(wěn)定安全系數(shù)(增穩(wěn)內(nèi)能與失穩(wěn)外能的比值) ，由于能量是一個標(biāo)量，避免了不同投影方法所導(dǎo)致的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)計算公式的不統(tǒng)一。利用干擾能量是標(biāo)量的性質(zhì)，可以更為合理地進(jìn)行局部和整體的穩(wěn)定性的分析。

3 邊坡防護(hù)與加固措施

邊坡的處治可以分為防護(hù)與加固兩種。防護(hù)是在邊坡穩(wěn)定的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，如果邊坡不穩(wěn)定，首先要進(jìn)行加固。常用的防護(hù)與加固的特點以及適用范圍如下：

3.1 各類加固的特點及適用范圍

擋土墻。在工程中，為了防止土坡發(fā)生滑坡和坍塌，需用各種類型的擋土結(jié)構(gòu)加以支擋。擋土墻時最常用的支擋結(jié)構(gòu)物。擋土墻按照結(jié)構(gòu)類型分為：重力式、半重力式、懸臂式、扶壁式、錨桿式、錨定板式和加筋土擋土墻。在實際工程中擋土墻的選擇需要考慮擋土墻的用途、高度與重要性；建筑場地的地形與地質(zhì)條件；盡量就地取材，因地制宜；安全而經(jīng)濟等因素。

抗滑樁?？够瑯妒且环N用于處理滑坡或防止邊坡下滑的鋼筋水泥混凝土結(jié)構(gòu)，是一種較理想的抗滑設(shè)施，但投資較大。錨索抗滑樁具有抗滑樁的特點但比抗滑樁能承受更大的土體壓力或滑坡推力;樁頂加了錨索后可使埋入土體的樁長大大簡短;適用于邊坡開挖后土體壓力或滑坡推力很大的情況。

預(yù)應(yīng)力錨索。用預(yù)應(yīng)力錨索處理單斜構(gòu)造巖石邊坡，對保證該類邊坡的穩(wěn)定有較好的效果，但難以準(zhǔn)確計算被錨固體的下滑力和張拉控制應(yīng)力。錨索的錨固段應(yīng)設(shè)置在穩(wěn)定的巖體中，一般用于巖石路段。

壓漿錨柱(固結(jié))壓漿錨柱(固結(jié)) 簡單地說就是往地層注入水泥漿(摻加一定量的外加劑) ，以改變土(巖) 體物理力學(xué)性質(zhì)(必要時，加一鋼筋籠或鋼筋束，即錨柱) 從而穩(wěn)定邊坡的一種方法。其施工設(shè)備簡單，占地面積小，工期短，見效快，加固地層的深度可深可淺，但難以檢測注入范圍和判斷固結(jié)狀態(tài)。

排水固結(jié)。排水固結(jié)主要用于表層地下水較多處的邊坡加固。有樹枝狀盲溝，塑料排水管等方式。工藝簡單，耗用材料少，但遇到有滑層的地方，需配設(shè)支檔構(gòu)造物才能達(dá)到滿意的效果。

3.2 各類防護(hù)的特點和適用范圍

圬工防護(hù)

片(塊) 石護(hù)坡和護(hù)面墻:片(塊) 石護(hù)坡分為漿砌和干砌兩種。護(hù)面墻比護(hù)坡厚，有一定的抗推力作用。其優(yōu)點是能就地取材，工藝簡單，但自重大，不宜在高邊坡上使用。

菱形網(wǎng)格護(hù)坡:菱形網(wǎng)格護(hù)坡，可預(yù)制安裝也可用水泥混凝土現(xiàn)澆和石砌。工藝簡單，網(wǎng)格內(nèi)可植草。但只適用于填方邊坡和土質(zhì)挖方邊坡。

六角空心磚護(hù)坡:六角空心磚是用水泥混凝土預(yù)制安裝的一種邊坡防護(hù)形式，似蜂巢狀。施工工藝簡單，空洞內(nèi)可填土綠化，有一定觀賞價值。但自重大，費用高，且還會阻礙邊坡水的排出，對邊坡穩(wěn)定不利，要慎重選用。

窗孔肋式護(hù)坡:窗孔肋式護(hù)坡一般用漿砌片石或片石混凝土做肋，用水泥預(yù)制混凝土做成拱形窗臺，坡面水從肋上排出，窗內(nèi)可植草，目前是一種較為理想的防護(hù)形式。

噴射混凝土護(hù)坡:對一些較高的風(fēng)化巖石邊坡，采用噴射混凝土作護(hù)坡可阻止風(fēng)化，且重量輕，施工所需設(shè)備簡單，但費用較高，厚度難以控制。

生物防護(hù)

生物防護(hù)除植樹(主要用于小邊坡) ，除傳統(tǒng)防護(hù)形式外，植草或鋪草皮是近年來才在高速公路上興起的一種綠色防護(hù)形式。其優(yōu)點是能在短期內(nèi)恢復(fù)公路沿線的綠色景觀和防止邊坡沖刷，但養(yǎng)護(hù)費用高，要隨時保持綠色有一定的困難。防護(hù)所選用的植物應(yīng)盡量采用當(dāng)?shù)剡m宜生長的植物，避免破壞別處的生態(tài)來防護(hù)本地的邊坡?，F(xiàn)在公路上植草護(hù)坡較新的技術(shù)有如下三種：液壓噴播植草護(hù)坡；三維植被網(wǎng)護(hù)坡；客土噴播。

3.3 防護(hù)與加固的綜合應(yīng)用

上述介紹的防護(hù)與加固方法和適用范圍是對國內(nèi)外工程應(yīng)用的總結(jié)，下面就對各種邊坡破壞的防護(hù)與加固做一些分析。

對于坡體變形，結(jié)合坡形、坡度設(shè)計，必須采取工程支擋措施，最常用的方法是設(shè)置錨索、預(yù)應(yīng)力錨索、預(yù)應(yīng)力錨索框架、抗滑樁、預(yù)應(yīng)力抗滑樁、抗滑擋土墻等，用以固腳強腰。其中，預(yù)應(yīng)力錨索框架加固防護(hù)是把錨索錨固在地層深部穩(wěn)固的巖體上，通過施加預(yù)應(yīng)力，使錨固范圍內(nèi)的坡體擠壓緊密，提高巖土的穩(wěn)固力和層間正壓力及摩阻力，阻止散巖體位移，從而達(dá)到加固邊坡的目的。通過錨索孔的高壓灌漿，漿液能充填坡體裂隙和空隙，提高了坡體內(nèi)破碎巖體的整體性和粘結(jié)強度，增強了坡體的整體穩(wěn)定性。而預(yù)應(yīng)力抗滑樁技術(shù)，充分利用預(yù)應(yīng)力混凝土抗拉性能較好的優(yōu)點，以新提出的預(yù)應(yīng)力樁體替代抗滑樁受拉一側(cè)的鋼筋，用于滑動面附近的重點加固，具有較強的加固功能。針對特殊的坡體變形，應(yīng)靈活使用與之相適應(yīng)的方法進(jìn)行加固，例如在巖土混合土質(zhì)邊坡中采用預(yù)應(yīng)力結(jié)合非預(yù)應(yīng)力錨桿。預(yù)應(yīng)力錨桿可以使被錨固地層產(chǎn)生壓應(yīng)力區(qū)，非預(yù)應(yīng)力錨桿對通過的巖體起加筋作用，兩者結(jié)合使用既能充分調(diào)用了巖體的自身作用，又能節(jié)約工程材料，取得顯著的經(jīng)濟效益，還能確保巖石邊坡的穩(wěn)定;對于破碎巖石高邊坡病害地質(zhì)，應(yīng)以有效控制坡體松弛和減小局部應(yīng)力集中，加固不利結(jié)構(gòu)面組合變形和破壞為主，可采用局部適量刷坡放緩邊坡和全面預(yù)應(yīng)力錨索格子梁加固;若邊坡巖土體中含有大量的膨脹性物質(zhì)，須杜絕膨脹性物質(zhì)產(chǎn)生膨脹力對加固結(jié)構(gòu)的破壞，如果采用預(yù)應(yīng)力錨桿，在邊坡巖土體膨脹能量釋放過程中，有可能導(dǎo)致錨桿和擋土結(jié)構(gòu)失效的嚴(yán)重后果，因此應(yīng)該采用自預(yù)應(yīng)力錨桿技術(shù)，即錨桿加工和安裝完全按照預(yù)應(yīng)力錨桿的要求進(jìn)行施工，但不主動施加預(yù)應(yīng)力，在邊坡巖土體吸水產(chǎn)生膨脹應(yīng)力后，引發(fā)錨桿自動產(chǎn)生預(yù)應(yīng)力，這樣就在一定程度上釋放了部分膨脹能量，同時對坡體施加了一定的約束荷載。

對于邊坡變形，采用改變坡形、坡度或作一些如錨桿框架、加設(shè)排水孔等一般加固及排水措施，即可防止病害的發(fā)生及變形規(guī)模的進(jìn)一步擴大。

對于坡面變形，只需采取防護(hù)措施，即可防止坡面的變形。趨于環(huán)境保護(hù)和安全防護(hù)的雙重考慮，出現(xiàn)了很多利用植被及其它材料聯(lián)合作用來作為邊坡的防護(hù)措施。例如利用植被結(jié)合土工合成材料技術(shù)加固邊坡以防風(fēng)化和水土流失，不僅改善邊坡生態(tài)環(huán)境，而且工藝簡單，操作方便，施工速度快，投資也比一般的混凝土防護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)約50 %以上;用高分子水溶性固化劑配合植被加固邊坡，高分子水溶性固化劑的固化性能在于化學(xué)物質(zhì)充滿了土體孔隙后，能加強土顆粒間的相互作用，有助于其從游離態(tài)向結(jié)合態(tài)轉(zhuǎn)化，從而將土體顆粒粘結(jié)成一體，使土體加固成為具有一定結(jié)構(gòu)和強度的固化體。高分子水溶性固化劑除了土體固化作用，還具有保水增肥的作用。根據(jù)不同的邊坡性質(zhì)和防護(hù)要求選擇不同的植被。普通的植被系統(tǒng)如草皮或根系淺的植物只適于地表面層水土保持以及淺層土體的防護(hù)，對于需要較深層加固的，就選用根系發(fā)達(dá)的植被，如香根草等。

結(jié)語

在選擇邊坡防治措施前，要詳細(xì)調(diào)查地形、地質(zhì)和水文條件，認(rèn)真研究和確定滑坡的類型及其發(fā)展的階段，分析形成滑坡的主、次因素及彼此的聯(lián)系，結(jié)合工程的重要程度、施工條件、工程防治的難易、投資多少等情況綜合考慮。對邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行綜合的分析與判斷。

邊坡防護(hù)措施的選擇還要兼顧改善生態(tài)環(huán)境、保持水土等。

大型滑坡在支護(hù)的基礎(chǔ)上，采取排水、減重等綜合措施，可提高邊坡的整體和局部的穩(wěn)定性。

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作者簡介：高俊明(1981- )，男，河北石家莊人，遼寧工程技術(shù)大學(xué)碩士，學(xué)習(xí)防災(zāi)減災(zāi)及防護(hù)工程專業(yè)。